Новости науки 18.06.01. Звук замораживает жидкость

Звуковая волна, распространяясь в жидкости, создает в ней области повышенного и пониженного давления. Если интенсивность волны достаточно велика, то вызываемые ею перепады давления тоже значительны. В частности, долгое время существовало подозрение, что достаточно высокое давление в фазе сжатия может привести к локальной кристаллизации жидкости. Экспериментально же этот эффект был обнаружен только сейчас, и то в достаточно экзотической среде: в жидком гелии.

Группа французских исследователей описывает в работе [X.Chavanne, S.Balibar, F.Caupin, Phys.Rev.Lett. 86, 5506 (2001)] результаты экспериментов по "замораживанию" жидкого гелия посредством сфокусированной звуковой волны. В этих опытах звуковая волна настраиваемой мощности распространялась в сосуде с жидким гелием, находящимся при температуре 65 мК и статическом давлении 25.324 бара, и фокусировалась вблизи хорошо отполированной стеклянной стенки. В эту же точку фокусировался и контрольный лазерный луч. Поскольку показатель преломления стекла постоянен и отличается от показателя преломления жидкого гелия, то на границе перехода гелий-стекло луч света частично отражался. Измеряя мощность отраженного луча, экспериментаторы могли таким образом определить и показатель преломления жидкого гелия, а значит и его плотность.

Поскольку звуковая волна модулирует плотность гелия, то она приводит и к колебаниям показателя преломления. И действительно, пропуская через сосуд звуковую волну, экспериментаторы видели почти чистую синусоидальную модуляцию показателя преломления. Однако, начиная с некоторой пороговой интенсивности звука, показатель преломления испытывал в фазе сжатия скачок высоко над синусоидой. Это должно было означать только одно: при такой интенсивности звука в гелии происходят качественные изменения.

Было почти очевидно, что наблюдаемый эффект есть зарождение и быстрый рост кристаллика твердой фазы при достижении критической плотности. Последние сомнения развеялись, когда оказалось, что значение плотности, до которого подпрыгивает кривая, очень близко к плотности твердого гелия. Это, кстати, означает, что какие-то за доли микросекунды кристаллический зародыш успевает вырасти до размера сфокусированного лазерного пятна. Полученная таким образом скорость роста кристаллика оказалась необычно большой, порядка 100 м/с.

Стоит отметить, что результаты этого эксперимента расходятся с целым рядом опытов, проделанных другими группами. В них было найдено, что кристаллизация в жидком гелии возникает при повышении давления всего на 3 мбар. В описываемом же эксперименте затвердевания не наблюдалось, пока дополнительное звуковое давление не превысило 4.7 бар, то есть, в тысячу раз больше.

Авторы объясняют это разногласие тем, что во всех предыдущих опытах кристаллизация инициировалась не за счет высокого давления, а из-за наличия дефектов стенок, примесных частиц и т.д. В этой же работе впервые показано, что звук сам по себе может заставлять жидкость образовывать зародыши твердой фазы.

Наконец, авторы замечают, что само по себе наблюдение твердой фазы было возможным из-за аномально большой скорости роста кристаллика (100 м/с). Ни в какой другой жидкости скорость роста даже и близко не приближается к этому значению. Такая специфика жидкого гелия связана с тем, что высвобождающуюся в процессе роста кристалла энергию требуется тут же куда-то отводить. В нормальных жидкостях столь быстрый теплоотвод невозможен, и потому скорость роста кристаллов мала. В жидком же гелии из-за его сверхтекучей природы такой быстрый теплоотвод может происходить, что и приводит к скорости кристаллизации близкой к скорости звука.

Авторы признают, что наличие стенки все-таки помогает возникновению кристаллического зародыша. Однако в планах этой исследовательской группы — провести аналогичный эксперимент, где зародыш возникал бы в толще жидкости, вдали от стенок. Ожидается, что для этого потребуются давления не менее 70 бар.

перейти к началу страницы